Wind tunnel investigations on performances and aerodynamics of a wind turbine

Abstract

[ES] El presente documento se ocupa del estudio de una turbina eólica de nuevo diseño pensada para ingresar en el mercado eólico urbano de poca potencia. El diseño inicial pertenece a la start-up “AirCrafted” que trabaja en el ´ámbito de energía renovables e industria de la aviación. La turbina eólica se caracteriza por ser de eje vertical, y recibe el nombre de “RoDaVi”, acrónimo de Rotor de Da Vinci, porque su diseño se basa en la optimización de las primeras ideas del inventor. En cuanto a resultados, en la tesis se realiza un análisis preliminar con modelos a escala 1:10 de la turbina en una balanza dinamométrica para conocer los parámetros aerodinámicos de la turbina y la influencia de las diferentes configuraciones y diseños en el túnel de viento (velocidad, ´ángulo de ataque, grosor, ...). Más adelante se realiza con una turbina de escala 1:3, un análisis de las prestaciones eléctricas de la turbina para diferentes ´ángulos y velocidades de flujo. El tamaño seleccionado se debe a las limitaciones del túnel de viento. La turbina se encuentra conectada a un generador síncrono de imanes permanentes, que a su vez se conecta a un sistema eléctrico que simularía una carga de batería real. Se realizan diferentes mediciones con varios motores de los parámetros eléctricos principales utilizando sensores como un torsiómetro y un vatímetro. El ´ultimo análisis se realiza con la tecnología PIV. Se utilizan un láser, una foto cámara de alta potencia y generador de micro burbujas para estudiar el campo fluido (velocidades y vorticidad).

[EN] This document deals with the study of a newly designed wind turbine intended for entering the low power urban wind market. The initial design belongs to the start-up “AirCrafted” that works in the field of renewable energy and the aviation industry. The wind turbine is characterized by a vertical axis, and is called “RoDaVi”, an acronym for Da Vinci rotor, because its design is based on the optimization of the inventor’s early ideas. Regarding results, in the thesis a preliminary analysis is carried out with 1:10 scale models of the turbine in a dynamometric balance to know the aerodynamic parameters of the turbine and the influence of the different configurations and designs in the wind tunnel ( speed, angle of attack, thickness, ...). Later, with a 1:3 scale turbine, an analysis of the electrical performance of the turbine for different angles and flow speeds is carried out. The size selected is due to the limitations of the wind tunnel. The turbine is connected to a permanent magnet synchronous generator, which in turn is connected to an electrical system that would simulate a real battery charge. Different measurements are made with various motors of the main electrical parameters using sensors such as a torque meter and a wattmeter. The last analysis is performed with PIV technology. A laser, a high power photo camera and a micro bubble generator are used to study the fluid field (velocities and vorticity).

[CA] Aquest document s’ocupa de l’estudi d’una turbina eòlica de nou disseny pensada per ingressar al mercat eòlic urbà de poca potència. El disseny inicial pertany a la start-up AirCrafted que treballa en l’àmbit d’energia renovables i indústria de l’aviació. La turbina eòlica es caracteritza per ser d’eix vertical, i rep el nom de RoDaVi, acrònim de rotor de Da Vinci, perquè el seu disseny es basa en l’optimització de les primeres idees de l’inventor. Quant a resultats, a la tesi es realitza una anàlisi preliminar amb models a escala 1:10 de la turbina en una balança dinamometrica per conèixer els paràmetres aerodinàmics de la turbina i la influència de les diferents configuracions i dissenys al túnel de vent ( velocitat, angle d’atac, gruix,...). Més endavant es fa amb una turbina d’escala 1:3, una anàlisi de les prestacions elèctriques de la turbina per a diferents angles i velocitats de flux. El tamany seleccionat es deu a les limitacions del túnel de vent. La turbina es troba connectada a un generador síncron d’imants permanents, que a més es connecta a un sistema elèctric que simularia una càrrega de bateria real. Es realitzen diferents mesuraments amb diversos motors dels paràmetres elèctrics principals utilitzant sensors com un torsiòmetre i un vatímetre. L’última anàlisi es realitza amb la tecnologia PIV. Es fan servir un làser, una foto càmera d’alta potència i un generador de micro bombolles per estudiar el camp fluid (velocitats i vorticitat)